KOYULAŞTIRMA VE KOYULAŞTIRMA TESİSLERİ (BUHARLAŞTIRICILAR) PROF. DR. AHMET ÇOLAK PROF. DR. MUSA AYIK

Transkript

1 KOYULAŞTIRMA VE KOYULAŞTIRMA TESİSLERİ (BUHARLAŞTIRICILAR) PROF. DR. AHMET ÇOLAK PROF. DR. MUSA AYIK

2 10. KOYULAŞTIRMA VE KOYULAŞTIRMA TESİSLERİ (BUHARLAŞTIRICILAR) Gıda sanayinde, koyulaştırma yada buharlaştırma denilince, sıvı ürünlerin içerdikleri suyun belirli bir miktarının buharlaştırılarak uzaklaştırılması anlaşılır. Koyulaştırılmış ürünler, daha sonraki işlem aşamalarında kolayca kurutulabilirler. Öte yandan, bu tür ürünlere şeker katkısı ile dayanıklılıkları artırabildiği gibi depolanma ve taşınmaları da kolaylaşır.

3 10.1 Koyulaştırma İşleminde Buharlaştırılan Su Miktarı Ürün içindeki su miktarı m Su ve yağ dahil kuru madde içeriği de m KM ise x su oranı aşağıdaki eşitliğe göre bulunur: Koyulaştırma başlangıcında su oranı x 0 ve su miktarı m sub ise; koyulaştırma sonunda su oranı x ve su miktarı da m su olana dek. buharlaştırılan su miktarı şöyle bulunur:

4 Bu değer, koyulaştırılmadan önceki su miktarına oranlandığında, başlangıç su miktarına göre buharlaştırılan su oram, bulunabilir. Sıvıların buharlaştırma ile koyulaştırılmasında önemli unsurlar; Buharlaştırma odasındaki basınç yada vakum. Sıvı sütununun hidrostatik basıncı ve Çözelti konsantrasyonuna bağlı ozmotik basınçtır. Buna göre, kaynama ve buharlaştırma işi, ilk aşamada basınca bağlı olarak ayarlanabilir. Kaynayan sıvıda oluşan buhar ile sıvı karşılıklı denge konumunda olup, buharlaşma sıcaklığı, doymuş buhar basıncına göre değişmektedir. Öte yandan, kaynayan sıvının üst yüzey sıcaklığı da oluşan buharın sıcaklığına eşittir. Sıvı üzerine etkili basıncın düşürülmesiyle (vakum), buharlaşma sıcaklığı da düşürüldüğü için, 100 C nin altındaki sıcaklıklarda buharlaştırma sağlanmaktadır. Örneğin, saf suyun, basınca bağlı buharlaşma sıcaklıkları şekil 10.1 de grafik olarak.verilmiştir.

5 10.2 Buharlaştırıcı Tipleri Buharlaştırma işi için çok çeşitli buharlaştırıcılar (evaporatörler) geliştirilmiştir. Uygulamalarda, kesintili çalışan (porsiyonvari) buharlaştıncılar yerine, sürekli (kontinü) çalışan buharlaştırıcı tipleri giderek yaygınlaşmaktadır. Şekil 10.2 de suyu, 100 C den düşük sıcaklıklarda buharlaştıran bir tesisin ana organları şematik olarak verilmiştir. Süt ve benzeri ürünlerin koyulaştırılması, genel olarak, C sıcaklıklar arasında gerçekleştirilir. Bu sınırlar; daha yüksek sıcaklıklarda ürünün yanması, daha düşük sıcaklıklarda da soğutma suyunun sıcaklığı ile belirlenmektedir. Buharlaştmcıların ana organları, genel olarak şunlardır: Isı değiştirme işi için vakumlu buharlaştırma kazanı. Artık buharın koyulaşmış üründen ayrıldığı, ayırıcı. Artık buhar için yoğuşturucu. Yoğuşan suyun atılarak vakumun üretilmesi için gerekli düzen. Buharlaştırma işinde gerekli ısıtma buharı tüketimi, uygulamalarda ekonomik işletmeciliği sınırlayan bir etmendir. Bir kademeli buharlaş- tıncılarda genel ortalama olarak;

6 olmaktadır. Bunun yanında, koyulaştırılacak ürünün ön ısıtılması ve ısı kayıpları nedeniyle, buhar tüketimi % artmaktadır.

7 Isıtma buharı tüketiminin azaltılabilmesi için çok kademeli buharlaştırıcılar kullanılır. Bu durumda, özgül buhar tüketim değerleri şöyle olmaktadır:

8 Yükselme Borulu ve Geri Dönüşlü Buharlaştırıcılar Bu tip buharlaştırıcının çalışma prensibi şekil 10.3 de şematik olarak gösterilmiştir, işlenecek ürün kesintisiz olarak A dan verilirken koyulaştırılmış ürün C den ve artık buhar da B den alınır. Koyulaştırılacak ürün, 1 nolu ısıtıcı içinde ısınarak kaynamaya başlar. Bu sırada oluşan su buharı sayesinde ürün, ısıtıcı borularında yükselir. Buhar ve koyulaşmış ürün karışımı 2 nolu santrifüj ayırıcıya geçerek birbirinden ayrılır. Genel olarak, bu tip buharlaştırıcılarda ürünün buharlaştırıcıdan bir kez geçmesiyle istenilen koyulaşma sağlanamaz. Bu nedenle, ürün, 3 nolu geri dönüş borusundan tekrar buharlaştırıcıya girer. istenilen koyulaşma sağlanana dek, ürünün buharlaştırıcıda ortalama kalma süresi oldukça uzundur. Öte yandan, ısı değiştirici tabanında sıvı halde biriken ürün, buharlaşma sıcaklığının artmasına da neden olmaktadır (İm ürün yüksekliğinin neden olduğu artış 10 C).

9 Bu nedenlerle. aşırı buharlaşma sıcaklığı ve uzun buharlaşma süresinin kaliteyi etkilediği ürünler için, bu tip koyulaştırma tesisleri uygun değildir.

10 Serbest Akışlı Buharlaştırıcılar Bu buharlaştırıcılardaki ısı değiştirici bölmesi de borulu tiptir. Şekil 10.4 de verilen serbest akışlı buharlaştırıcıda A dan giren işlenecek ürün, buharlaşma bölmesine dikey yönde serbest olarak akar. Isı değiştiricinin boru boyu m ve boru çapları da mm dir. Koyulaştırılacak ürün, 1 nolu giriş bölmesinde düzgün bir şekilde dağıtılır. Böylece, borulardan eşit miktarda akışkanın akması sağlanır. Dağıtma işi, ya bir elek, yada döner başlıklı pülverizasyon memesiyle gerçekleştirilir. Ürünün, ince film tabakası halinde aşağı doğru akma süresi içinde, buharlaşma miktarı giderek artar. Buhar ve koyulaşmış ürün, 4 nolu ayırıcıda birbirinden ayrılarak, B den buhar ve C den de koyulaşmış ürün alınır.

11 Bu tip buharlaştırıcılarda, maksimum buharlaşma hızı, buharlaştırıcı çıkışından önce oluşur. Bu hız, şu eşitlikten hesaplanabilir: Serbest akışlı buharlaştırıcılara, ince katmanlı buharlaştırıcılar da denilmektedir. Bu tip buharlaştırıcılar, buharlaşma sıcaklığının tam ayarlanabilmesi ve buharlaşma süresinin kısa olması gibi avantajları nedeniyle gıda endüstrisinde özel yerleri vardır.

12 Yatay Borulu Buharlaştırıcılar Bazı uygulama alanlarında, serbest akışlı buharlaştırıcının ısı değiştirici bölmesi dik konumda yerleştirilmeye uygun olmamaktadır. Bu durumlarda, yatay borulu ısı değiştiriciye sahip buharlaştırıcılar kullanılır. Bu tip buharlaştırıcıda alt ve üst seviyedeki borulardan eşit miktarda buharlaşma sağlanabilmesi için, buharlaştırıcı, üst seviyesine dek koyulaştırılacak ürün ile doldurulur. Bu tip buharlaştırıcılarda, buharlaştırıcı çıkışındaki sıvı/buhar oranı serbest akışlı buharlaştırıcılardakinden büyüktür. Başka deyişle, buharlaştırma etkisi daha düşüktür.

13 Plakalı Buharlaştırıcılar Ölçülerinin küçük olmasına karşın, büyük ısı değişim yüzeyine sahip olan plakalı buharlaştırıcıların yapısı, plakalı ısıtıcılara benzer. Bunlarda, ısıtma buharının geçtiği kesit alanı, yoğuşan suyun geçtiği kesit alanına göre daha büyüktür. Aynı şekilde, artık buhar ve yoğuşmuş ürünün geçtiği kanal kesitleri de, ısıtma buharınkinden büyüktür. Buharlaştırma iş akışında, artık buhar ve koyulaşan ürün, plakalı buharlaştıncı yüzeylerinden, arka arkaya, bir kez yukarı bir kez aşağı doğru akar. Yukarı doğru akışlarda karşımdaki sıvı miktarı daha fazladır. Plakalı buharlaştırıcılarda, iş verimi çok iyi ayarlanabilir. Ayrıca, temizlenmeleri kolaydır. Ancak, çok viskoz sıvıların koyulaştırılmasmda uygun değillerdir.

14 Mekanik Dağıtma Düzenli Buharlaştırıcılar Akma yeteneği düşük olan yüksek viskoziteli akışkanların koyulaştırılması için, akışkanın hareketi mekanik düzenlerle gerçekleştirilmek zorundadır. Döner hareketli mekanik dağıtma düzenine (rotor) sahip buharlaşma odasının dış yüzeyinden, ısıtma buharı geçmektedir. Isıtma buharının, rotor iç yüzeyinde dolaştırıldığı tipleri de vardır. Bu tip buharlaştırıcılar, öteki tiplere göre daha pahalı olduklarından, ancak, ön koyulaştırmadan sonraki aşamalarda, daha koyu ürün elde edilmesi için kullanılırlar.

15 10.3 Buharlaştırıcı Isıtma Yüzey Alanı Büyüklüğü Buharlaştırıcılarda ısıtma yüzey alanının büyüklüğü, öncelikle değiştirilen ısı miktarına bağlıdır. Buharlaştırıcıda kaynama sıcaklığı t k ise, S miktarındaki suyun buharlaştırılmadı için gerekli ısı; Eğer, ürün soğuk olarak buharlaştırıcıya giriyorsa, kaynama sıcaklığına dek ürüne verilmesi gereken ısı da; kadardır.

16 Bu durumda, suyun buharlaştırılması için gerekli ısıya, ürünün kaynama sıcaklığına dek ısıtılması için verilecek ısı da eklenerek, toplam ısı miktarı bulunur. Toplam ısı miktarından gidilerek, ısıtma yüzey alanı ise şu eşitlikten hesaplanır:

17 Eşitliğe göre, buharlaştırılacak su miktarından giderek; toplam ısı geçiş katsayısı, ısıtma buharı ve ürünün kaynama sıcaklıkları farkına bağlı buharlaştırıcı yüzey alanı saptanabilir. Şekil 10.5 de beher kg /h suyun buharlaştırılmasında gerekli buharlaştırıcı yüzey alanı, grafik olarak verilmiştir. Ancak, grafik değerleri, ürünün buharlaştırıcıya kaynama sıcaklığında girdiği koşullarda geçerlidir. Yani, soğuk ürünün kaynama sıcaklığına dek ısıtılması için gerekli ısı miktarım içermemektedir. Şekil Beher kg/h su buharlaştırmak için gerekli buharlaştırıcı yüzey alanı (ürünün buharlaştırıcıya kaynama sıcaklığında girdiği koşullarda geçerlidir).